《数字信号处理》教学大纲(配丁玉美书).doc

数字信号处理教学大纲课程名称：数字信号处理学分：4学时：68+12课程性质：必修一、课程的地位、作用和任务本课程是电子信息工程、通信工程、信息工程、电子信息科学与技术等专业的必修课。几乎所有的工程技术领域都会涉及到信号处理问题。数字信号处理是对信号进行分析、变换、综合、估值与识别等，由于它具有精度高、高稳定性、灵活性强、便于集成以及可以对数字信号进行存储、运算等优点，目前已广泛应用于语音、雷达、声纳、地震、图像、通信、控制、生物医学等领域。数字信号处理的理论和技术是目前高新理论和技术的有力支撑。是电气信息类专业的专业基础课。本课程的主要任务是：（1） 加深学习信号处理的基础，使学生了解连续信号与离散信号相互转换的关系，掌握数字信号处理的基本思想、基本原理；（2） 掌握数字信号处理实现的基本方法及各自的优缺点；（3） 了解数字信号处理的应用场合及发展趋势。为有关后继课程的学习和今后工作实践打下良好基础。几乎所有的工程技术领域都会涉及到信号处理问题，信号处理有模拟信号处理和数字信号处理两种类型，数字信号处理的处理对象是数字信号，数字信号是幅度和时间都离散的离散信号。数字信号处理是一门理论和实践密切结合的课程，它是采用数值分析计算的方法实现信号的处理，其实现方法有软件实现和硬件实现两种，软件实现方法指的是用户按照数字信号处理的原理和算法编写程序在通用计算机上实现，硬件实现是根据数字信号处理的原理和算法设计硬件结构图，用乘法器、加法器、延时器、存储器以及接口实现。本课程的目的要求是：通过学习掌握是数字信号处理的基础理论，有离散信号和系统的描述方法、差分方程、时域分析、频域分析、Z域分析等，熟练掌握是数字滤波器的基本理论和设计方法，熟练掌握IIR数字滤波器、FIR滤波器的基本理论和设计方法，初步掌握是数字信号处理的技术实现，有软、硬件实现方法。培养学生能够从数学方法、物理概念及工程概念去分析问题和解决问题。本课程性质是专业基础课。二、课程的基本内容与要求1离散时间信号与系统掌握离散时间信号的表示、模拟信号的采样、离散时间系统的构成及描述方法。掌握离散时间信号的DTFT与Z变换的大意、性质及其关系，掌握Parseval定理。理解系统函数。2离散变换及其快速算法掌握DFS、DFT及FFT，会用FFT计算IDFT、相关函数，线性卷积的FFT算法，利用FFT计算连续信号的频谱，用FFT计算二维DFT。懂得快速变换及其应用。了解DCT及FCT。3IIR与FIR滤波器的设计方法会根据模拟滤波器来设计IIR滤波器，掌握脉冲响应不变法及双线性变换法。了解常用低通滤波器特性。会从模拟滤波器低通原型到各种数字滤波器的频率变换。掌握线性相位FIR滤波器的特点，掌握窗口设计法、频率采样设计法及FIR滤波器的最优化设计，注意IIR与FIR的比较。4数字信号处理系统的实现掌握数字滤波器（IIR、FIR）的结构表示，理解量化及量化误差效应，理解有限长运算对数字滤波器的影响，了解系数量化对数字滤波器的影响，了解极限环振荡情况。掌握一种DSP硬件的构成原理及应用。5实验及其他如有条件，建议增加二个实验（其中实验学时数为8）。附：实验要求和实验内容实验要求：1）掌握FIR、IIR滤波器和基-2FFT的算法设计和编程实现。2）学习分析实验结果的正确性和物理意义。实验内容：1）FIR滤波器的设计及软件实现。2）IIR滤波器的设计及软件实现。3）FFT基2算法编程。三、本课程的先修课程本课程的先修课程是：高等数学、线性代数、复变函数、概率论与随机过程、矢量分析与场论、积分变换、数学物理方程与特殊函数、大学物理学、电路分析基础、信号与系统、模拟电路、数字电路、高频电路、C语言程序设计、微机原理与接口技术等课程。四、说明1本课程各教学环节的学时分配比例不做统一规定，其中习题课、讨论课及实践环节在学时上应占有适当比例。2在保证基本要求的前提下，可以对相关的内容作适当的增减。3本要求分三个层次：属第一层次的用词是“掌握”；属第二层次的用词是“理解”、“懂得”、“会”、“明确”；属第三层次的用词是“了解”。条件允许时适当采用教学模型、CAI等现代化教学手段。五、 教学重点、难点：本课程是一门理论和实践要求都较高的课程，需要有扎实的数学基础和电路、信号、系统理论基础。重点是信号的傅立叶变换和滤波器的设计，难点是Z变换法对系统的数学建模和数学解析。六、 教学内容及课时分配：（总80学时）i. 理论教学部分（68学时）绪论 （2学时）1数字信号处理的基本概念2数字信号处理的特点3 数字信号处理的实现方法第1章 离散信号和系统的时域分析 （8学时）1.时域离散信号分析2.时域离散系统分析3.时域离散系统的输入输出描述法线性常系数差分方程4.模拟信号数字处理方法第2章 离散信号和系统的频域分析 （10学时）1.序列的傅立叶变换的定义及性质2.周期序列的傅立叶级数及傅立叶变换表示式3.时域离散信号的傅立叶变换与模拟信号的傅立叶变换之间关系4.序列的Z变换5.利用Z变换分析信号与系统的频域特性第3章 离散傅立叶变换（DFT） （8学时）1.离散傅立叶变换的定义2.离散傅立叶变换的基本性质3.频率域采样1、 DFT的应用举例说明识记频率域采样，领会DFT的应用，简明应用离散傅立叶变换的定义，简明应用离散傅立叶变换的基本性质第4章 快速傅立叶变换（FFT） （8学时）1.基2FFT算法2.进一步减少运算量的措施3.分裂基FFT算法4.离散哈特莱变换（DHT）第5章 时域离散系统的基本网络结构与状态变量分析法 （8学时）1.用信号流图表示网络结构2.无限长脉冲响应(IIR)基本网络结构3.有限长脉冲响(FIR)应基本网络结构4.状态变量分析法第6章 无限脉冲响应数字滤波器的设计 （8学时）1.数字滤波器的基本概念2.模拟滤波器的设计3.用脉冲响应不变法设计IIR数字滤波器4.用双线性变换法设计IIR数字滤波器5.IIR数字滤波器优化设计法第7章 有限脉冲响应数字滤波器的设计 （8学时）1.线性相位FIR数字滤波器的条件和特点2.利用窗函数法设计FIR滤波器3.利用频率采样法设计FIR滤波器4.利用切比雪夫逼近法设计FIR滤波器5.IIR和FIR滤波器的比较第8章 其它类型的数字滤波器 （4学时）1.几种特殊的滤波器2.格型滤波器3.简单整系数数字滤波器4.采样转换滤波器第9章 数字信号处理的实现 （4学时）1.数字信号处理的量化效应2.数字信号处理的软件实现3.数字信号处理的硬件实现ii. 实验教学部分（12学时）实验一 采样定理一、 实验目的1. 验证采样定理；2. 观察过采样和欠采样后信号的频谱变化。二、 实验内容在给定信号为确定信号的过采样和欠采样频率；上述采样频率条件下，观察、分析记录频谱，说明产生上述现象的原因。三、学时分配 3学时四、实验仪器 计算机，DSP实验箱五、实验耗材 磁盘，打印纸实验二 信号频谱分析一、 实验目的1. 观察周期信号和非周期信号的频谱结构2. 分析上述信号频谱的区别二、实验内容在给定信号为：其中，a为实验证学号，记录上述各信号的频谱，表明采样条件，分析比较上述信号频谱的区别。三、学时分配 3学时四、实验仪器 计算机，DSP实验箱五、实验耗材 磁盘，打印纸实验三 IIR数字滤波器的设计一、 实验目的1学习IIR滤波器的设计方法。2学会滤波器的计算机仿真方法。二、实验内容用双线性变换法设计一个巴特沃斯低通IIR数字滤波器。设计指标为：在通带内频率低于0.2时，最大衰减小于1dB；在阻带内0.3 频率区间上，最大衰减大于15dB。 以0.02为采样间隔，打印出滤波器的频率特性曲线。 完成一个包含高频噪声信号的过滤，观察滤波效果。三、学时分配 3学时四、实验仪器 计算机，DSP实验箱 五、实验耗材 磁盘，打印纸 实验四 FIR数字滤波器的设计一、 实验目的1. 学习FIR滤波器的设计方法。2学会滤波器的计算机仿真方法。二、实验内容设计一个线性相位低通FIR数字滤波器。设计指标为：给定抽样频率（rad/s），在通带内截止频率为（rad/s）；在阻带内起始频率为（rad/s），阻带衰减比小于50dB。 利用窗函数法设计，以0.02为采样间隔，打印出滤波器的频率特性曲线。 完成一个包含高频噪声信号的过滤，观察滤波效果。三、学时分配 3学时四、实验仪器 计算机，DSP实验箱五、实验耗材 磁盘，打印纸教学方法：讲授和实验结合考核方式及要求：闭卷笔试考试。考核知识层次依据考试大纲教材及参考书目：1教材数字信号处理（西安电子科技大学）丁玉美 高西全 编著西安：西安电子科技大学出版社1994年第1版2001年1月第2版2参考书目1数字信号处理（第二版）学习指导（西安电子科技大学）高西全 丁玉美 编著西安电子科技大学出版社2001年11月第1版2数字信号处理教程（北京信息工程学院）程佩青北京：清华大学出版社1995第1版2001第2版2006年第3版3数字信号处理理论、算法与实现（清华大学自动化系）胡广书 编著北京：清华大学出版社1997第1版2003第2版4离散时间信号分析和处理（清华大学电子工程系）应启珩 冯一云 窦维蓓 编著北京：清华大学出版社2001.5数字信号处理（北京理工大学）王世一 编著北京：北京理工大学出版社1987第1版1997修订版6数字信号处理基础（北京邮电大学）全子一 周利清 门爱东 编著北京：北京邮电大学出版社2002年9月第1版7数字信号处理及其MATLAB实现VinayKIngle，JohnGProakis 著（西安交通大学）刘树棠译西安：西安交通大学出版社2002年6月第1版8离散时间信号处理 （第2版）美（美国麻省理工学院MIT）A.V.奥本海姆 （美国佐治亚理工学院GIT）R.W.谢弗 J.R.巴克 著（西安交通大学）刘树棠 （西北工业大学）黄建国 译西安：西安交通大学出版社2001年9月第1版9数字信号处理教程MATLAB释义与实现（西安电子科技大学）陈怀琛 编著北京：电子工业出版社2004年12月第版10数字信号处理（华中科技大学）姚天任 江太辉武汉：华中科技大学出版社1988年第1版2000年9月第2版11数字信号处理美A.V.奥本海姆 等著（南京工学院）董士嘉 杨耀增 译北京：科学出版社1980年12月第1版12数字信号处理习题解答（上海交通大学）顾福年 胡光锐北京：科学出版社1983年8月第1版13数字信号处理学习辅导及习题详解（南京邮电大学）邓立新 曹雪红 张玲华 编著北京：电子工业出版社2003年1月第1版14数字信号处理及其应用成都电讯工程学院 黄顺吉 黄振兴 刘醒凡 宋景唯 编北京：国防工业出版社1982年12月第1版15数字信号处理常见题型解析及模拟题（西北工业大学）谢红梅 赵健西安：西北工业大学出版社2001年10月第1版16数字信号处理习题详解（中国解放军理工大学）张小虹 编著南京：东南大学出版社2002年8月第1版17数字信号处理学习指导与题解.（华中科技大学）姚天任 编著武汉：华中科技大学出版社2002年9第1版18.数字信号处理教程习题分析与解答（北京信息工程学院）程佩青北京：清华大学出版社2002年7第1版19信号、系统与信号处理的软硬件实现.（北京交通大学）吴湘淇 肖熙 郝晓莉 编著北京：电子工业出版社2002年3月第1版20Monson HHayesSchaums Outlines Outlines Digital Signal Processing1999全美经典学习指导系列数字信号处理美M.H.海因斯著（北京交通大学）张建华 卓力 张延华 译北京：科学出版社麦格劳希尔教育出版集团2002年1月第1版21数字信号处理：原理、算法与应用（第三版）美John GProakis